Čeští vědci pomohli rozluštit genom pšenice

Dvěma stovkám vědců z 20 zemí se po 13 letech podařilo rozluštit genom pšenice seté, nejrozšířenější zemědělské plodiny. Výsledky, na kterých se významně podíleli odborníci z Ústavu experimentální botaniky AV ČR, pomohou rychlejšímu šlechtění odrůd pšenice s lepšími vlastnostmi nebo třeba také lidem s alergií na lepek.

Přečtení dědičné informace pšenice seté dlouho považovali experti za prakticky nemožné kvůli její enormní velikosti. Skládá se totiž ze 17 miliard písmen, a je tak pětkrát větší než u člověka. Je to tím, že se skládá ze tří navzájem podobných subgenomů a také proto, že většinu jejího genomu tvoří mnohokrát se opakujícími úseky DNA. Podle ředitele Ústavu experimentální botaniky AV ČR Martina Vágnera práce v časopise Science, ke které významně přispěli olomoučtí vědci, aspiruje na nejdůležitější výsledek v rostlinné biologii tohoto roku.


Olomoučtí vědci představili přelomové výsledky 20. srpna 2018 v Centru strukturní a funkční genomiky rostlin Ústavu experimentální botaniky AV ČR

Práci vědcům ztěžovalo také to, že dědičnou informaci musejí číst po malých úsecích. Jak vysvětluje vedoucí Centra strukturní a funkční genomiky rostlin Ústavu experimentální botaniky AV ČR a kordinátor programu Strategie AV21 Potraviny pro budoucnost Jaroslav Doležel, komplikuje to její správné sestavení: „Jako kdybychom rozstříhali tři vydání stejné knihy ve velmi podobných jazycích na úseky kratší než jedna věta, tyto kousíčky smíchali a knihy sestavovali do původní podoby. Jsem proto rád, že se to u tak velkého genomu, jaký má pšenice, nakonec podařilo.“

Zelená revoluce z Hané
Olomoucké pracoviště Akademie věd ČR spoluzaložilo v roce 2003 Mezinárodní konsorcium pro sekvenování genomu pšenice. V mezinárodním projektu, jenž vznikl právě za účelem rozluštění genomu pšenice, sehrálo zcela klíčovou roli. Výzkum genomu pšenice totiž vycházel z metody třídění chromozomů pomocí takzvané průtokové cytometrie, kterou vyvinuli a rutině používají jako jediní na světě právě na Hané.

Unikátní postup umožnil rozdělit složitou dědičnou informaci na menší části, chromozomy, což zjednodušilo čtení DNA a následovné uspořádávání přečtených úseků. DNA jednotlivých chromozomů poté olomoucká laboratoř předávala pracovištím v různých částech světa.

Nezůstalo však jen u toho, olomoučtí vědci dále připravovali takzvané BAC knihovny. Jejich prostřednictvím šlo číst delší úseky textu dědičné informace, což usnadnilo sestavování genomu. Rovněž v přípravě těchto BAC knihoven z izolovaných chromozomů drží olomoučtí experti světový primát: dosud jsou v jejich využívání považováni za nejlepší na světě.


Ve speciálních mrazicích boxech se uchovává při teplotě mínus 80 °C na 2,5 milionu klonů DNA pšenice. Jaroslav Doležel ukazuje zmražené destičky s BAC knihovnami chromozomu pšenice 

V Olomouci se úspěšně věnovali i samotnému sekvenování tří z jednadvaceti chromozomů pšenice a v posledních letech se do výzkumu zapojili také jinými moderními metodami – například optickým mapováním.

Přečtení genomu pšenice pomůže šlechtitelům i dalšímu výzkumu
Dokončení rozluštění genomu pšenice zprostředkuje šlechtitelům nové možnosti, aby mohli lépe řešit problémy související s potravinovou bezpečností. A je to opravdu důležité, protože pšenice je základní potravinou pro více než třetinu světové populace. „Pěstuje se na největší části obdělávané plochy, poskytuje více než pětinu kalorií a bílkovin a její role při výživě lidstva je v současnosti nezastupitelná,“ potvrzuje Jaroslav Doležel.

Díky znalosti genomu pšenice mohou šlechtitelé rychleji identifikovat geny odpovídající za výnos, kvalitu zrna, odolnost vůči chorobám a škůdcům, nebo ty, které pšenici umožní lépe překonávat období sucha a lépe využívat období vlhka. Přelomový objev bude mít velký význam i při využívání nových metod genetických modifikací. Čeští vědci se šlechtiteli spolupracují od roku 2017 také v rámci Aplikační laboratoře AV ČR.

Rozluštění sekvence genomu pšenice je důležité i pro základní výzkum, který pokračuje s cílem objasnit funkci jednotlivých částí dědičné informace a jejich vliv na růst a vývoj této plodiny. První výsledky již byly zveřejněny v dalších šesti publikacích, které vyšly ve stejný den jako hlavní článek – jedna ve stejném čísle časopisu Science, druhá v Science Advances a čtyři v Genome Biology.

Před vědci nyní ale stojí další výzvy. Dosud totiž genom zkoumali spíše jako lineárně seřazený sled písmen dědičného kódu. Ve skutečnosti je ale dědičná informace nesená molekulou DNA uspořádaná v trojrozměrném prostoru buněčného jádra o průměru asi několik tisícin milimetru a některé její části spolu interagují. „Takové uspořádání lze přirovnat ke klubíčku smotanému ze 42 třiceticentimetrových vláken. Najít oblasti vláken, které na sebe vzájemně působí, je těžké, ale již máme vypracované postupy, jak je nalézt a blíže charakterizovat,“ uzavírá Jaroslav Doležel.

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY:

Světová věda z Hané: Jak šlechtit plodiny budoucnosti (A / Věda a výzkum 3/2017)


3/2017 (verze k listování)

Laboratoř pomůže zavádět nové metody šlechtění

Téma: Potraviny pro budoucnost


Ukázka jednoho z tříděných chromozomů pšenice. Červeně zbarvená je molekula DBA, žlutě jedna z mnoha opakujících se sekvencí genomu


Detail laserového průtokového cytometru, který se používá při izolaci chromozomů pšenice. Jako model pro získání referenční sekvence genomu pšenice využili vědci odrůdu Chinese Spring. V současnosti odborníci znají sekvence všech 21 chromozomů, stejně jako přesné umístění 107 891 genů a více než čtyř milionů molekulárních markerů

Připravil: Luděk Svoboda, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Luděk Svoboda a Pavlína Jáchimová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, Ústav experimentální botaniky AV ČR
Reportáž: Studio OAT

Přečtěte si také

• Evoluce věčně živá. V čem tkví podstata biologické rozmanitosti?
• Pozor na klíšťata v městských parcích, jsou nebezpečná, varují odborníci
• Unikátní rozmnožování skokanů z Moravy potvrdili vědci i u dalšího druhu žáby
• Embrya parazitických ryb hořavek se naučila přemet, který jim umožňuje přežít
• Na světě klesá počet velkých šelem – vymírání čelí například levharti
• Vědec chce rozlousknout záhadu rozmanitosti přírody za pomoci mušek octomilek
• Rostliny se mohou přizpůsobit klimatickým změnám, aniž by změnily svoji DNA
• Ekosystémové stanice: tiší strážci zkoumají „dech“ krajiny a dopady změn klimatu
• Vědci předkládají zajímavou teorii: křídla hmyzu se mohla vyvinout z žaber
• Třetina světa v posledních dekádách citelně vysychá, zjistili vědci z CzechGlobe